光子高阶轨道角动量制备_调控及传感应用研究进展_陈理想
基于led的轨道角动量光束的调控与光通信应用
基于led的轨道角动量光束的调控与光通信应用晶体管技术的快速发展和半导体材料的提高，使得可见光通信技术应用领域在过去几年内经历了极其迅速的发展。
基于LED的轨道角动量光束是该领域中的一种新型光通信技术，具有高效、高速、低成本、低功耗等优点，在无线通信、海底通信、数据中心通信等领域具有广阔的应用前景。
基于LED的轨道角动量光束是指使用发光二极管（LED）发射出的光束，在空间内的光程差和波长差的调制下，实现携带轨道角动量的光束传输。
该技术主要借助于LED发光的多重模式特性，通过编码和解码调制技术，将信号信息传递到光束中。
由于LED自身结构和工作原理的特点，其具有发射角度宽、光束强度均匀、运行稳定等优点，与传统光纤通信技术相比，LED光通信具有更高的可靠性和更低的成本。
在基于LED的轨道角动量光束的应用中，最重要的是光束的调控技术。
为了实现信号的高速、低失真传输，需要对光束的空间形态、传输速度等参数进行精确的调控，以利于信号信息的传递和解码。
目前，基于LED的轨道角动量光束的调控技术主要包括两个方面：一是对LED发出的光束进行可重构调控，以满足不同数据传输要求，在信号处理、调制等环节中控制光束的转移、编码、解码等参数，实现与传统光通信技术的兼容和扩展；二是对光束的波长、偏振、相位、空间形态等参数进行精确调控，以实现冗余检测、快速恢复等异常情况下的灵活应对。
在光通信应用中，基于LED的轨道角动量光束具有多种优点，如更高的传输速度、更低的传输误码率、更小的空间损耗、更低的能耗等，适用于无线通信、海底通信、高能物理实验等场合。
在无线通信领域，基于LED的轨道角动量光束技术可以通过调节光束的波长、偏振、相位等参数，使光束与声波、电磁波等不同类型的信号进行复合调制，实现光声、光电效应等多种应用。
在海底通信领域，基于LED的轨道角动量光束可以穿透长距离的海水，克服传统光纤通信技术遭遇的海水折射和散射等问题，具有更高的可靠性和更大的覆盖范围。
光子轨道角动量
光子轨道角动量
光子轨道角动量是光学领域中一个重要的概念，描述了光子在传播过
程中的角动量，是解释和设计光学现象的关键因素。
在光学当中，光子轨道角动量可通过两个重要的物理量来描述：极化
和波前曲率。
极化反映了光子转动的方向，而波前曲率表明了光子旋
转的速度。
光子轨道角动量的研究已经成为了物理学和光学领域中的热门话题，
它不仅有助于我们更深入地理解光学现象，还为我们开发新型的光学
器件提供了奠基之作。
对于光子轨道角动量的研究还有许多问题需要解决。
例如，我们需要
进一步了解在不同波长和极化状况下，光子轨道角动量的变化情况，
以及如何利用这一特性来实现高效率和高精度的光学器件设计和制造。
在未来的研究中，我们需要把握住这一机遇，深入挖掘光子轨道角动
量在光学理论和实践中的作用，并研究新的技术和方法，以期更好地
应用于实际生产和科学发展中。
总之，光子轨道角动量是一个重要的光学概念，对理解和设计光学器件起着关键作用。
通过深入研究光子轨道角动量，我们将探索出更高效和更精密的光学应用，提升光学领域的科研水平，不断推动科学技术的发展进步。
(完整word)光子轨道角动量的物理解释及其产生方法
轨道角动量的物理性质及其产生方法轨道角动量的物理性质早在1909年波印廷就预言圆偏振光具有能量比为的角动量。
而且如果有线偏光转化为圆偏光，则必定存在与光学系统角动量的交换。
这一假说最终被Beth在实验中证实。
他将一个半波片用石英光纤悬挂起来，然后将一束右旋圆偏光耦合进光纤中，最终传输到半波片上的光由原来左旋圆偏光改变为左旋圆偏光。
根据动量守恒条件，光束中每个光子的的旋转角动量就会被传递到半波片上。
实验结果表明半波片的扭矩在大小和正负号上与光的波动和量子理论结果完全一致,这就证实了圆偏光具有旋转角动量（spin angular momentum，SAM）.根据光的量子理论，一束光具有的旋转角动量为:(为光子的个数），一束光具有的能量为:（为光的频率，N为光子的个数）,所以光子的旋转角动量与能量的比值为,而Beth的方法也被用于测量光子的旋转角动量。
在二十世纪五十年代以前，科研工作者将原子都看做是二能级系统,也就是说每一个辐射的光子载有大小的角动量.后来人们发现原子有更高能级的跃迁，例如有的原子有四能级跃迁。
为了保持动量守恒,要求辐射的光子载有数倍于的角动量。
因此除了旋转角动量以外，还存在独立于它的一个角动量，人们把它名为轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）。
在Allen等人1992年发表的一篇文章中证实了OAM是所有具有螺旋相位（）的光束的自然属性，而且这种光束也很容易产生。
螺旋波阵面会形成一个个分布在光束中心轴线上的相位奇点。
相位奇点的能量和动量的大小为零,因此也就不存在角动量。
所以相位奇点本身并没有轨道角动量，而是围绕相位奇点的光线具有轨道角动量。
光具有波粒二象性，它的粒子特性告诉我们每个光子具有大小的动量，我们把它称作线性动量。
对于圆偏光而言,还具有大小为的旋转角动量。
而当光具有的螺旋相位时，则它具有大小为的轨道角动量。
从这里我们可以看出轨道角动量数倍于角动量.角动量与线性动量的关系可以用数学表达式表述为,这里为光子的矢径,为光子的线性动量,代表叉乘。
光子轨道角动量的应用与发展
【创新之路】Way of Innovation众所周知，光是一种物质，它总是沿直线传播。
人类自古以来就研究光，而漩涡光束直到1992年才在荷兰莱顿大学被Allen等人发现。
科学家看到一个有趣的现象：在漩涡光束中，光线不是直线传播，而是以螺旋线的形式，在一个空心的圆锥形光束中传播。
因此，这种光束看起来像一个漩涡或龙卷风，其中的光线可以向左或向右扭转。
光子可以携带轨道角动量，这一科学发现推动了多个学科新的发展，如非线性光学、量子光学、原子光学、微观力学、微流学、生物科学和天文学等，漩涡光束同时也被开拓并广泛应用于多个新的领域，如光通信、光学捕获、光学微操控、显微检查和量子信息处理等。
漩涡光束发现20年来，传统上一直用各种体光学元件，例如柱状透镜、某些特殊波片、全息片、空间光调制器等来产生这种光束，但在很小区域内需要大量漩涡光束的情况下，非常不方便，阻碍了大规模应用。
中山大学的蔡鑫伦教授、余思远教授等人发明了一种硅基的平面光波导光子轨道角动量发射器，可以在几个微米的尺寸下产生涡旋光束，打破了传统光学元件的局限性，有很好的应用前景。
光子轨道角动量应用的发展历程光子以光速运动，并具有能量、动量和质量。
光子的动量可以分为线性动量和角动量，光子的线性动量方向与光的传播方向平行，当一束光入射到垂直传播方向的物体时，光对物体会产生一个压力，称为光压。
这个压力虽然非常小，但是非常有用，宏观上可以制作太阳帆，利用光压作为太空航行器源源不断的动力，微观上可以利用光压的梯度进行微粒的操控。
光子的角动量最先被熟知的是自旋角动量，它是光子的内禀角动量，关于自旋的确切物理含义比较复杂，可以简单地想象为是光子在绕自身旋转。
光子的自旋角动量只可能有两种取值+与-，其中是一个非常小的常数，称为约化普朗克常数。
在空间上，光子自旋角动量的这两种取值分别对应于右旋圆偏振与左旋圆偏振。
另外，光子还可以具有轨道角动量（Orbital AngularMomentum, OAM）。
光子角动量发展及应用
北京航空航天大学课程名称：非线性光学学院：物理科学与核能过程学院姓名：张浩学号：SY1119222光子角动量发展及应用摘要：本文介绍了光子角动量的发展，早在1909年，Poyatmg就认识到光具有角动量—自旋角动量，并将光的角动量与光波的偏振联系起来。
1936年，princeton大学的Beth等人根据四分之一波片可改变圆偏振旋向的性质，利用力学实验巧妙地验证了左、右圆偏振光子分别具有自旋角动量± [4]。
1992年，Leidon大学的Allen等人才认识到了光子也可以携带另一种形式的角动量——轨道角动量。
最后介绍了近年来带有明确角动量的光束高斯一拉盖尔(Laguerre—Gaussian beam，LG光束)光束。
带有角动量的光束可以对微米粒子产生力的作用，进而控制微米粒子。
带有轨道角动量的LG模和像散高斯光束，兼有光学镊子和光学扳手的双重功能。
关键词：角动量，轨道角动量，拉盖尔—高斯1.引言光是非常有趣的，因为我尚未完全地知道它究竟是什么，它的某些属性还令人捉摸不定。
光是什么?这是数百年来人们一直在探索的问题。
1666年，英国物理学家Newton提出了光的微粒说(Corpuscular theory)，把光描绘成为从发光物体发射出来的，作高速运动的一种非常细小的粒子。
1679年，荷兰物理学家Huygens提出了光的波动说，他认为，光是在充满空间的特殊介质“以太”(ether) 中传播的某种弹性波。
Huygens还发现了方解石中光的偏振现象。
但由于Newton 是当时的权威科学家，因此，微粒说一直占上风。
直到1801年，英国物理学家Young做了著名的杨氏双缝干涉实验，1819年法国物理学家Fresnel又用波动理论解释了光的传播和衍射，光的波动说才渐渐为人们所接受。
1861．1862年，英国物理学家Maxwell根据他发现的麦克斯韦方程组大胆预言：光是一种电磁波。
他的预言随后被德国物理学家Hertz的实验所证实。
轨道角动量 量子力学
轨道角动量：探究微观世界的奇妙旋转1. 引言在量子力学的世界里，微观粒子以一种奇特而又令人困惑的方式旋转着。
这种旋转被称为轨道角动量，是研究微观世界的重要工具之一。
本文将深入探讨轨道角动量在量子力学中的重要性，以及它所带来的深入解析和理解。
2. 轨道角动量的概念轨道角动量是描述微观粒子运动状态的物理量之一，用来描述粒子沿固定轨道运动时的旋转运动。
在量子力学中，轨道角动量的大小和方向是量子化的，它的量子数决定了粒子所处旋转状态的特性。
在经典物理学中，轨道角动量的定义为L=mvr，其中m是粒子的质量，v是粒子的速度，r是粒子绕某个轴旋转的半径。
然而，在量子力学中，轨道角动量的情况变得更加复杂。
根据量子力学的理论，轨道角动量不再仅仅是一个简单的物理量，而是一个由一系列由哈密顿算符的本征向量所构成的完备集。
这些本征向量对应着不同的量子态，不同的量子态对应着具有不同角动量的粒子。
3. 轨道角动量量子化根据量子力学的理论，轨道角动量的大小由量子数l决定，量子数l的取值范围为0到无穷大。
每个量子数所代表的角动量大小为√l(l+1)ℏ，其中ℏ是约化普朗克常数。
对于给定的量子数l，轨道角动量的投影量子数m的取值范围为−l,−(l−1),...,l−1,l。
每个投影量子数对应着轨道角动量在空间中的方向。
这个量子化的特性将粒子的旋转状态分为多个离散的状态，这与经典物理学中连续的旋转状态形成鲜明对比。
4. 轨道角动量在原子物理中的应用轨道角动量在原子物理中扮演着重要的角色。
事实上，通过对轨道角动量的研究，科学家们能够更深入地了解原子的性质和行为。
轨道角动量解释了为什么原子中的电子在某些情况下会呈现环状的运动轨道。
根据量子力学的理论，对于给定的原子能级和量子数，电子将固定在特定半径的轨道上旋转。
这些轨道在空间中形成了一个奇特的“云”状分布，这也是我们熟知的原子壳层模型的基础。
轨道角动量解释了为什么原子中的电子在不同壳层具有不同的能级和性质。
光轨道角动量的研究意义
光轨道角动量的研究意义以光轨道角动量的研究意义为标题，我们来探讨一下光轨道角动量的相关内容。
光轨道角动量是指光子在传播过程中所具有的自旋和轨道角动量。
光子是光的最基本单位，它既可以作为粒子，也可以作为波动。
光轨道角动量的研究对于深入理解光的本质和光与物质相互作用具有重要意义。
光轨道角动量的研究对于光通信技术的发展具有重要意义。
光通信是一种高速、大容量的通信方式，已经成为现代信息传输的重要手段。
光轨道角动量可以用来增加光信号的传输容量，提高信息传输速率，进一步推动光通信技术的发展。
光轨道角动量的研究对于光学显微镜的分辨率提升有着重要作用。
传统的光学显微镜受到折射极限的限制，分辨率有一定的限制。
而利用光轨道角动量可以实现超分辨率显微镜，克服了传统显微镜的分辨率限制，可以观察到更小的细节结构，对于生物医学研究和纳米科学等领域具有重要意义。
光轨道角动量的研究也对于光学陷阱和操控微粒具有重要意义。
光学陷阱是一种利用光的力对微粒进行操控的技术，可以实现对微粒的定位、操纵和旋转等操作。
光轨道角动量可以用来设计和优化光学陷阱，提高微粒的操控精度和效率，对于微纳技术和生物物理学的研究有着重要的应用价值。
光轨道角动量的研究还可以用于光学信息存储和量子计算等领域。
光学信息存储是一种利用光的特性进行信息存储和读取的技术，光轨道角动量可以提高存储容量和数据传输速率，有助于实现更高效的光学信息存储系统。
量子计算是一种利用量子力学规律进行计算的新型计算方式，光轨道角动量可以用来构建量子比特，实现量子计算中的逻辑门操作，具有重要的理论和实践意义。
光轨道角动量的研究对于光通信技术、光学显微镜、光学陷阱、光学信息存储和量子计算等领域具有重要意义。
通过深入研究光轨道角动量的特性和应用，可以推动光学科学和光学技术的发展，拓展光学应用的领域，为人类社会的进步和发展做出贡献。
希望未来能够有更多的科学家和工程师投身于光轨道角动量的研究，开创出更多的科研成果和应用创新。
基于光子轨道角动量腔增强自发参量下转换系统的实验研究
基于光子轨道角动量腔增强自发参量下转换系统的实验研究近二十年来,随着量子信息科学在全球广泛而飞速的发展,光学量子信息处理作为量子信息科学的一个重要分支领域,逐渐成为国际上研究热点之一。
目前,制约光学量子信息处理实验研究的一个重要瓶颈是提高可操作的纠缠光子的数目和实现多光子纠缠的量子存储,它们直接影响到光学量子信息处理的可扩展性。
基于传统的自发参量下转换方法产生的光子线宽过高(100GHz-1THz),在实现独立光源之间的干涉,以及基于原子系综、固态体系的量子存储中遇到困难,腔增强的自发参量下转换方法便应运而生。
该方法能够控制光子的线宽,制备出窄线宽(1OMHz-100MHz)的多光子纠缠,很好地解决了线宽过宽的问题,在远程量子通信、光学量子计算、杂化量子网络等方面有着重要的应用价值。
在提升可操纵的纠缠光子的数目方面,目前,实验上制备十光子纠缠态已经逐渐接近瓶颈,如果想大幅度提升纠缠量子比特的数目,必须依靠实验方法上的突破。
众所周知,光子具有轨道角动量,表征轨道角动量的量子数能够取任意整数,使得单光子的轨道角动量原理上能构成无穷维的希尔伯特空间,到目前为止,实验上已经陆续实现了基于轨道角动量的高维量子纠缠态以及相关的应用。
本文是针对部分基于光子轨道角动量的腔增强自发参量下转化系统的研究,重点在以下三个方面:(1)我们采用光场的相位调制和Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术实现了Fabry-Perot(F-P)干涉仪的稳定;(2)为实现周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体准相位匹配的温度条件和精度要求,设计一个比例-积分-微分(PID)温度控制系统,控制温度范围5-55℃、稳定性达到0.003℃内,满足了实验要求;(3)自制了标准具,通过PID温度控制系统实现标准具的温度控制,获得稳定输出的光场。
25所 轨道角动量
25所轨道角动量25所轨道角动量轨道角动量（Orbital Angular Momentum，简称OAM）是一种描述光束旋转运动的物理量，与光束的形状、大小、传播方向等因素有关。
在光学、光通信、光计算等领域，轨道角动量已经成为了一个热门的研究方向。
本文将对轨道角动量的基本概念、分类、应用前景等方面进行简要介绍。
一、基本概念轨道角动量是光束在传播过程中所具有的一种物理量，它描述了光束在空间中的旋转运动。
具体来说，当光束在空间中传播时，其波前的相位和幅度分布可以形成一个螺旋状的波前结构，这种结构就具有轨道角动量。
在量子力学中，轨道角动量是粒子的一个重要的运动状态参数。
而在光学中，轨道角动量则用于描述光束的螺旋状波前结构。
二、分类根据不同的分类标准，轨道角动量可以分为不同的类型。
按照光束的偏振状态，轨道角动量可以分为线偏振光束和圆偏振光束；按照光束的拓扑荷数，轨道角动量可以分为拓扑荷数为0的光束和拓扑荷数不为0的光束。
此外，还有许多其他分类方法，如按照光束的聚焦状态、频率等。
三、应用前景轨道角动量的应用前景非常广泛，包括以下几个方面：1.光学通信：利用轨道角动量调制技术，可以在光学通信中实现更高的信息传输速率和更强的抗干扰能力。
2.光学计算：轨道角动量可以用于实现光学计算中的模式识别、图像处理等功能，提高计算效率和精度。
3.光学成像：利用轨道角动量可以改善光学成像的质量和分辨率。
例如，通过引入适当的螺旋相位板，可以实现超分辨成像。
4.量子光学：轨道角动量是量子光学中一个重要的物理量，可以用于实现量子纠缠和量子隐形传态等量子信息处理任务。
5.生物医学成像：轨道角动量可以用于生物医学成像中，例如在光学显微镜中实现细胞结构和功能的超分辨成像。
总之，轨道角动量的研究涉及多个学科领域，具有广泛的应用前景。
随着研究的深入和技术的发展，相信轨道角动量的应用将会在更多的领域得到推广和应用。
原子结构中的轨道角动量分析
原子结构中的轨道角动量分析在原子结构的研究中，轨道角动量是一个重要的概念。
它描述了电子在原子中的运动方式和角动量的量子化特性。
本文将从量子力学的角度，探讨原子结构中的轨道角动量，并分析其在科学研究和技术应用中的重要性。
1. 轨道角动量的概念轨道角动量是描述电子绕原子核运动的角动量。
根据量子力学的理论，电子在原子中的运动是量子化的，即只能存在特定的能量和角动量值。
轨道角动量的量子化表现为轨道量子数，用l表示。
轨道量子数的取值范围为0到n-1，其中n是主量子数，表示电子所处的能级。
2. 轨道角动量的量子化轨道角动量的量子化是由量子力学的波动性质决定的。
根据德布罗意假设，电子具有波粒二象性，可以看作是波动的粒子。
根据波动性质，电子的运动状态可以用波函数来描述。
波函数的平方表示电子在不同位置的概率分布，而波函数的相位则与角动量有关。
3. 轨道角动量的量子数和角动量大小轨道角动量的量子数l决定了角动量的大小和方向。
对于给定的l值，角动量的大小为√(l(l+1))，其中h是普朗克常数。
不同的l值对应不同的轨道形状，如l=0时为s轨道，l=1时为p轨道，l=2时为d轨道，以此类推。
4. 轨道角动量的量子数和轨道形状轨道角动量的量子数l与轨道形状密切相关。
对于l=0的s轨道，其形状呈球对称；对于l=1的p轨道，其形状呈两叶花瓣状；对于l=2的d轨道，其形状呈四叶花瓣状。
不同的轨道形状影响了电子在原子中的分布和运动方式。
5. 轨道角动量的应用轨道角动量在科学研究和技术应用中具有广泛的应用价值。
首先，轨道角动量的量子化特性为原子光谱提供了理论解释。
原子在吸收或发射光线时，电子跃迁的能级差与轨道角动量的变化有关，从而产生特定的光谱线。
通过分析光谱线的特征，可以研究原子的结构和性质。
其次，轨道角动量的量子化特性也在化学反应中起着重要作用。
在化学反应中，电子的轨道角动量可以决定反应的速率和选择性。
不同的轨道角动量状态对应不同的反应途径和反应产物，从而影响化学反应的过程和结果。
25所 轨道角动量
25所轨道角动量全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：轨道角动量是物理学中的一个重要概念，它在描述物体在运动中的旋转时扮演着至关重要的角色。
在许多物理学领域，如天体物理学、机械运动等方面，轨道角动量都被广泛地应用。
今天我们就来探讨下轨道角动量的概念以及与之相关的一些重要性质。
轨道角动量的概念最早是由古希腊物理学家阿基米德提出的。
他发现，当一个物体在运动时，它所具有的角动量并不只是由其自身的旋转决定的，还受到外部力矩的影响。
这就引入了轨道角动量的概念，它不仅包括了物体自身的旋转运动，还包括了它在外部力的作用下所产生的角动量。
在经典力学中，轨道角动量的定义可以用以下公式表示：L = r x p其中，L表示轨道角动量，r表示物体到转轴的距离，p表示物体的动量，x表示叉乘运算。
从这个公式可以看出，轨道角动量的大小取决于物体的动量和它距离转轴的距离。
在量子力学中，轨道角动量也具有重要的意义。
根据量子力学的理论，轨道角动量是一个量子数，它取离散值，分别对应于不同的轨道状态。
在原子物理学中，轨道角动量可以解释原子的电子轨道结构和化学性质。
此外，轨道角动量还与原子的光谱结构和磁性有着密切的联系。
轨道角动量在天体物理学中也扮演着重要的角色。
在行星运动、星际尘埃云的运动等现象中，轨道角动量的守恒性质发挥着关键作用。
通过研究天体的轨道角动量，科学家们可以更好地理解宇宙中各种物体之间的相互作用和运动规律。
除了以上提到的领域，轨道角动量还在许多其他物理学领域中得到应用，如机械运动中的角动量守恒定律、凝聚态物理学中的自旋角动量等等。
可以说，轨道角动量是一种普适性极强的物理量，它贯穿于整个物理学体系的方方面面。
在实际的物理实验中，如何测量和计算轨道角动量也是一个重要的课题。
通过观察物体运动的轨迹、测量其动量和距离等数据，科学家们可以得到物体的轨道角动量，并进一步探讨物体的运动规律和性质。
通过精确测量轨道角动量，科学家们可以验证理论模型的准确性，推动物理学知识的不断发展。
轨道角动量技术研究进展及其在5G-A和6G中的应用前景分析
轨道角动量技术研究进展及其在5G-A和6G中的应用前景分
析
王喜瑜;孙韵淇;菅梦楠;杨军;陈艺戬
【期刊名称】《信息通信技术》
【年(卷),期】2024(18)1
【摘要】近年来,5G的建设取得了丰硕的成果。
以3GPP为首的标准组织正在积极开展5G第二阶段(5G Advanced,5G-A)以及6G的候选技术及标准工作。
电磁波的轨道角动量技术(Orbital Angular Momentum,OAM)是IMT-2030推进组在6G布局的重要研究方向,以其优异的理论容量性能在学术界和产业界获得了大量关注。
文章总结OAM技术应用于通信的优势,例如可支持视距超多流并行传输,提升通信物理层安全,与智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface,RIS)技术结合赋能等,提出在大数据和工业互联网等应用场景下,利用OAM技术建立的超大规模无线数据中心将助力实现数据要素深度参与工业生产,提升全产业链生产效率,推动6G与产业协同发展。
【总页数】9页(P7-15)
【作者】王喜瑜;孙韵淇;菅梦楠;杨军;陈艺戬
【作者单位】移动网络和移动通讯多媒体技术国家重点实验室;中兴通讯股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN9
【相关文献】
1.光通信中轨道角动量技术及应用前景分析
2.6G移动通信技术发展与应用前景预测分析
3.6G研究进展及关键候选技术应用前景探讨
4.6G移动通信的技术应用及发展前景
5.6G热度攀升,5.5G已触手可及宁波移动举行5G-A技术应用发布会暨战略签约仪式
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光子高阶轨道角动量制备_调控及传感应用研究进展_陈理想
© 2015 中国物理学会 Chinese Physical Society 164210-1
物 理 学 报 Acta Phys. Sin.
Vol. 64, No. 16 (2015) 164210
地, 当 ℓ = ±3 时, 该螺旋结构还非常类似于意大利 面, 如图 1 (e) 所示. 1995 年, 澳大利亚 Queensland 大学研究组首次实验观测到了轨道角动量从光束
网络出版时间：2015-07-06 14:36 网络出版地址：/kcms/detail/11.1958.O4.20150706.1436.009.html
物 理 学 报 Acta Phys. Sin.
Vol. 64, No. 16 (2015) 164210
专题:
光子高阶轨道角动量制备、 调控及传感 应用研究进展∗
陈理想 † 张远颖
361005) (厦门大学物理学系, 厦门
( 2015 年 3 月 23 日收到; 2014 年 5 月 4 日收到修改稿 )
光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量 (与光波的圆偏振相 关), 还可以携带轨道角动量 (与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子 态构建一个高维的 Hilbert 空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自 Allen 等于 1992 年确认光子轨道角动量的 物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领 域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量 子纠缠态操控、 旋转 Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.
光轨道角动量的研究意义
光轨道角动量的研究意义以光轨道角动量的研究意义为题，我们将探讨光轨道角动量的定义、性质和应用，并阐述其在科学研究和技术应用中的重要性。
光轨道角动量是指光子在传播过程中固有的自旋和轨道运动所带有的角动量。
我们来介绍光轨道角动量的定义。
光轨道角动量是指光子的旋转角动量，它与光子的传播方向垂直，并且随着光子的传播而传递。
光轨道角动量的大小与光子的频率成正比，与光子的偏振态有关。
光轨道角动量具有一些重要的性质。
首先，光轨道角动量是量子化的，即只能取特定的离散值。
其次，光轨道角动量是守恒的，即在光子传播的过程中保持不变。
再次，光轨道角动量的方向可以是顺时针或逆时针旋转。
最后，光轨道角动量可以通过光束转换器等方法进行调控和控制。
光轨道角动量在科学研究中具有广泛的应用。
首先，光轨道角动量可以用于光学显微镜中的超分辨显微技术，通过控制光轨道角动量，可以实现超分辨成像，突破传统光学显微镜的分辨极限。
其次，光轨道角动量可以用于光学通信中的编码和解码技术，提高信息传输的容量和速率。
此外，光轨道角动量还可以应用于光学陷阱、光学操控和光学旋转等领域，为微纳尺度的精确操作提供了新的手段。
在技术应用方面，光轨道角动量也发挥着重要的作用。
例如，在激光加工领域，通过调控光轨道角动量，可以实现对材料的微观加工和刻蚀，具有很大的潜力和应用前景。
此外，光轨道角动量还可以应用于光学旋转传感器、光学陀螺仪等精密测量仪器中，提高测量的精度和稳定性。
光轨道角动量的研究具有重要的科学意义和应用价值。
通过对光轨道角动量的深入研究，可以拓展我们对光的理解，揭示光与物质相互作用的基本规律，推动光学科学和技术的发展。
光轨道角动量的应用也将带来新的光学器件、光学仪器和光学通信系统等方面的突破，对现代科技和工业生产具有重要的推动作用。
因此，进一步深入研究光轨道角动量是非常有意义的。
轨道角动量模式作为波动方程在坐标系下的本征解_概述及解释说明
轨道角动量模式作为波动方程在坐标系下的本征解概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在对轨道角动量模式作为波动方程的本征解在坐标系下的表达形式进行概述和解释说明。
首先，将介绍轨道角动量的定义和性质，以及波动方程的基本概念和表达式。
接着，将探讨轨道角动量模式如何成为波动方程的本征解，以及其在不同坐标系下的表达形式。
1.2 文章结构本文分为五个主要章节。
第一章是引言部分，总结了文章的目录和大纲。
第二章将详细介绍轨道角动量模式，并对其定义和性质进行说明。
同时，还将阐述波动方程的基本概念和表达式，为后续内容做铺垫。
第三章将探讨坐标系下的波动方程，并介绍了坐标系的概念和选择方法。
此外，还会讲解波函数在不同坐标系下的变换方法，并具体阐述轨道角动量模式在不同坐标系下的表达形式。
第四章将对轨道角动量模式作为波动方程本征解的应用进行解释与说明，并强调它们在经典力学和量子力学中的应用。
此外，还将探讨波动方程中轨道角动量模式本征解的物理意义，并阐述其在实际问题中的重要性和价值。
最后，第五章是结论部分，对文章进行总结，并展望未来研究方向或应用前景。
1.3 目的本文的目的在于从理论上深入探讨轨道角动量模式作为波动方程的本征解在坐标系下的表达形式。
通过对这一概念和性质进行详细说明，我们可以更好地理解和应用轨道角动量模式在经典力学和量子力学中的作用。
同时，通过研究其在不同坐标系下的表达形式，我们能够更全面地认识到其在实际问题中所具有的重要性和价值。
希望本文的内容能够为相关领域的研究者提供一定的参考和启发，并促进该领域未来研究工作的开展。
2. 轨道角动量模式2.1 轨道角动量的定义和性质在物理学中，轨道角动量是描述物体绕某一点旋转运动时所具有的性质。
它可以通过位置矢量和线性动量的向量积来定义。
轨道角动量L的大小等于位置矢量r 与线性动量p之间的叉乘：L = r ×p。
轨道角动量具有以下重要性质：- 角动量大小具有正定性，即L的模长永远为非负值。
关于完美涡旋光场制备的相关研究
关于完美涡旋光场制备的相关研究摘要:完美涡旋光其光场的亮环半径不会随着拓扑荷值的增大而增大，因此在量子信息编码以及微粒操控等方面具有重要研究意义，本文主要介绍光子轨道角动量制备的基础理论；以及实现完美涡旋光的理论支撑与技术手段。
关键词：涡旋光场；完美涡旋光引言光子既能传输经典信息，同样也是量子信息传递的理想载体。
研究发现单个光子不仅具有自旋角动量，传输中还可携带轨道角动量。
携带有轨道角动量的光束即称为涡旋光束。
涡旋光束在量子信息传输、光学测量、粒子旋转与操纵、成像技术及图像识别处理等领域具有重要的应用价值，是当前信息光学领域的一个研究热点。
目前涡旋光束的制备方法常用的有：柱透镜几何转换法；螺旋相位板法；基于空间光调制器的叉形衍射光栅；集成轨道角动量发射器等。
而在涡旋光束中，其拓扑荷值是一个重要的参数。
光束的拓扑荷值与轨道角动量成正比，若光束亮环半径半径不随拓扑荷值增大而改变则称之为完美涡旋光束。
目前常用的获取完美涡旋光的方法有：利用光学元件振幅相位元件或锥透镜等制备完美涡旋光场。
本文主要分析光子轨道角动量制备的基础理论以及完美涡旋光的制备方法。
1.实现光子高阶角动量制备的理论方法1）柱透镜几何转换法，在实验中如需获得不同模式的激光束，可让入射激光束通过一些光学器件实现模式转换。
常见的几何模式转换法，例如，利用两个柱面透镜以实现厄米高斯光束模式与拉盖尔高斯光束模式的相互转换。
2）螺旋相位板法，螺旋相位板是由平面和螺旋面的透镜介质组成的纯相位衍射元件。
螺旋相位板的厚度绕着板的中心点随着方位角而增加。
由于介质厚度不同，当入射光的波长为时，光束经过相位片各部分光程差不同，从而导致相位差，形成螺旋结构；3）叉型衍射光栅法，若将基模高斯光束入射到加载了exp(ilϕ)相位的叉型光栅，即会产生一级衍射光且获得l重的螺旋相位结构，进而使得每个光子携带的轨道角动量；4）集成轨道角动量发射器制备法，2012 年英国Bristol 大学余思远研究组设计了一类基于硅基光波导的环形光学微腔和环形微纳光栅, 演示了携带不同轨道角动量涡旋光束的阵列发射, 该技术可用于光子芯片的光波导互联, 因此对未来适用于高维量子信息处理的光子芯片的设计具有启发性。
轨道角动量 光逻辑
轨道角动量光逻辑轨道角动量和光逻辑轨道角动量，是指质点在运动过程中，围绕其运动中心产生的角动量。
在物理学中，轨道角动量是非常重要的一个概念，因为它能够帮助我们理解和研究宇宙中的自转和公转运动。
光逻辑，则是一种基于光子概念的逻辑系统，主要用于信息处理和通信领域。
光逻辑利用光子的量子效应，在人工制备的材料中实现光子间的相互作用，从而实现高速、低耗、高效的信息传输。
这两个概念似乎没有联系，那么它们之间是不是就完全没有交集呢？其实并不是这样的。
实际上，轨道角动量和光逻辑之间存在着一种关联关系，这就是轨道角动量在光学器件中的应用。
近年来，科学家们发现，当光子进入某些特定的物质中时，会发生轨道角动量的转移。
这种现象可以通过一种叫做“光棒”的器件来实现。
光棒本质上是一个棒状的光学器件，在棒的两端分别有一个偏振镜。
当光子穿过光棒时，其轨道角动量会被转化为光子的偏振状态，进而实现了信息的传输。
光棒实际上是一种基于轨道角动量的光学器件，它能够在光子之间传输信息。
基于这个原理，科学家们首次提出了“量子光棒网络”的概念，并利用该技术成功实现了量子信息的传输和处理。
这一技术的应用，将有望带来革命性的变革，大大提高信息传输和处理的速度和效率。
可以说，轨道角动量是实现光逻辑的重要前提条件之一。
它为制备高效的光子交互器件提供了思路和基础。
在日后的研究中，相信轨道角动量在光学器件中的应用将越来越广泛，从而推动信息技术的不断发展和进步。
总之，轨道角动量和光逻辑虽然看似没有直接的联系，但实际上却存在着非常重要的关系。
通过轨道角动量在光学器件中的应用，我们可以实现更快速、更高效、更节能的信息处理和传输，为人类社会的发展和进步做出贡献。
“轨道角动量:从经典光学到量子信息”专辑前言
“轨道角动量：从经典光学到量子信息”专辑前言
史保森;贾晓军;陈理想
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2022(39)1
【摘要】光子既是经典信息也是量子信息的理想载体。
单个光子不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。
自旋角动量的研究历史比较悠久,早在1909年, Poynting就将宏观上光波的圆偏振态和微观上单个光子的自旋角动量联系起来。
但直到1992年,荷兰Leidon大学的Allen等才在理论上确认光子也可以携带另外一种形式的角动量――轨道角动量,它来源于光波的螺旋相位。
【总页数】1页(P1-1)
【作者】史保森;贾晓军;陈理想
【作者单位】中国科学技术大学;山西大学;厦门大学
【正文语种】中文
【中图分类】O43
【相关文献】
1.h在量子力学到经典力学过渡中的应用
2.非经典光场及其在量子信息中的应用
3.“轨道角动量:从经典光学到量子信息”专辑征稿
4.轨道角动量光束中的经典光关联及其应用研究
5.“轨道角动量:从经典光学到量子信息”专辑客座主编简
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目前光子轨道角动量已成为国际光学领域的 一个研究热点, 在基础物理、应用物理以及天文、 生物等交叉学科中的研究中都具有重要的应用价 值
[13−15]
术是 2005 年由意大利 ICFO 光子中心 Torner 等 [26] 提出的数字螺旋成像 (digital spiral imaging). 在 这种新概念成像技术中, 待测样品的强度信息和相 位信息被记录在透射光或反射光离散的轨道角动 量谱中. 最近, 该技术被进一步用于刻画微观介质 球的尺寸和位置信息 [27] . 同时, 轨道角动量与当下 光学领域的另一个研究热点——等离激元光子学 的结合, 为纳米级尺度下动态调控光场的聚焦、 传 输与变化, 以及现代光子集成电路的设计打开了新 的思路 [28−32] . 由于光子轨道角动量本征态在数学上构成了 一组完备的正交基矢, 因此可以利用轨道角动量 来实现高维信息的编码, 这种优势不仅体现在经典 光通信领域 [33,34] , 也体现在量子通信领域 [35] . 在 经典光通信领域, 早在 1997 年, 英国 Glasgow 大学 Gibson 等 [36] 首次提出了基于轨道角动量本征模式 编码的保密通信方案. 同年, 美国 Southern California 大学的 Willner 研究组首次同时将轨道角动 量复用和偏振复用技术与高速光通信系统中的波 分复用技术有效结合, 实现了高达 2.56 Tbit/s 的自 由空间数据率 [37,38] . 他们随后又将该复用技术扩 展到支持空间模式传输的特种光纤网络 [39] . 就在 刚刚过去的 2014 年, 奥地利 Vienna 大学 Zeilinger
光子高阶轨道角动量制备、 调控及传感 应用研究进展∗
陈理想 † 张远颖
361005) (厦门大学物理学系, 厦门
( 2015 年 3 月 23 日收到; 2014 年 5 月 4 日收到修改稿 )
光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量 (与光波的圆偏振相 关), 还可以携带轨道角动量 (与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子 态构建一个高维的 Hilbert 空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自 Allen 等于 1992 年确认光子轨道角动量的 物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领 域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量 子纠缠态操控、 旋转 Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.
光是非常有趣的, 因为我们尚未完全知道它究 竟是什么, 它的一些属性仍令人捉摸不定. 关于光 是什么, 这是自古以来科学家们一直探索的问题. 现代物理学理论已经普遍认为, 光具有波粒二象 性, 即它不仅具有电磁波的宏观属性, 如频率 (v )、 波长 (λ)、 偏振态 (σ ) 和相位 (φ), 也具有粒子的微观 属性, 如能量 (E )、 动量 (p)、 自旋角动量 (S ) 和轨道 角动量 (L). 早在 1905 年, 爱因斯坦就提出了 “光量 子” 理论, 认为光的能量是一份一份的, 每一份能量 叫做 “光量子”, 简称 “光子”, 并利用公式 E = hv , 将微观单个光子的能量和宏观电磁波的频率联系 起来. 受此启发, 德布罗意进一步提出了 “ 物质波” 思想, 认为 “任何物质都伴随着波, 而且不能将物质 的运动和波的传播分离开”. 他也用了一个简洁的 公式, p = h/λ, 将描述微观粒子属性的动量和描述 波动属性的波长用普朗克常数巧妙地联系起来. 那
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Vol. 64, No. 16 (2015) 164210
地, 当 ℓ = ±3 时, 该螺旋结构还非常类似于意大利 面, 如图 1 (e) 所示. 1995 年, 澳大利亚 Queensland 大学研究组首次实验观测到了轨道角动量从光束
研究组, 基于 16 种不同轨道角动量叠加态的图像 编码和图样识别技术, 在维也纳城市上空演示了大 气空间中长达 1 km 的实时图像传输, 这表明轨道 角动量在卫星通信系统中具有潜在的实用价值 [40] . 在量子通讯领域, 基于传统光学手段的量子信息协 议目前基本上都是以光子的偏振自由度作为信息 的载体, 而偏振态仅能在二维 Hilbert 空间实现量 子比特的编码. 而如何构建具有实用性的高维量 子体系, 已成为量子信息发展的一个关键问题. 这 是因为高维量子体系具有特殊的优越性, 特别在 有噪声的量子密钥分发协议中可显著提高信息的 容量和安全性 [41] ; 同时, 在高维的量子系统中执行 量子计算, 也可大大简化逻辑运算的复杂程度 [42] . 而光子轨道角动量正好是高维量子信息的理想载 体. 尤其是 2001 年, 奥地利 Vienna 大学 Zeilinger 研究组 [43] 在 《Nature》 报道他们实验观测到自发参 量下转化双光子具有高维的轨道角动量纠缠特性, 从而首次实现了光子角动量与现代量子信息技术 在真正意义上的对接. 2010 年, 英国 Glasgow 大学 Leach 等 [44] 在 《Science》 又报道了角位移和角动量 这对共轭量之间表现出更强的量子关联, 这为提高 未来量子密码网络的带宽带来了崭新的机遇. 由 于这两项开创性的研究工作, 光子角动量目前已 经成为国际上量子信息前沿研究的一大亮点和热 点 [45] . 基于高维轨道角动量纠缠, Zeilinger 研究 组还提出纠缠浓缩协议, 用以制备轨道角动量的最 大化纠缠态 [46] , 这在扩展 Bell 不等式检验 [47] 以及 量子密钥分发技术 [48] 中都是必需的. 另外, 2005 年, Illinois 大学 Kwiat 研究组 [49] 制备了超纠缠态, 即双光子同时纠缠于自旋、 轨道角动量和能量 -时 间这三个不同的自由度. 而超纠缠体系是拓展高维 Hilbert 空间的一种有效工具 [50−53] . 特别是 2008 年, Kwiat 研究组 [54] 在《Nature Physics》上利用 超纠缠态辅助 Bell 态测量, 成功打破了传统线性超 密集编码信道容量的极限. 2011 年, 英国 Glasgow 大学 Padgett 研究组 [55] 也在《Nature Physics》上 发表封面文章, 利用高达 11 维的轨道角动量纠缠 态, 报道了扩展 Bell 不等式的破坏, 这有望成为下 一代量子纠缠的新维度. 2012 年, 意大利 Rome 大 学研究组 [56] 也发展了一种基于轨道角动量的免 调试的量子通信技术. 2014 年, 英国 Glasgow 大学 Padgett 研究组和加拿大 Ottawa 大学 Boyd 研究 组合作, 在 《Nature Communications》 报道他们将 强测量与弱测量两种技术有效结合, 直接测量了高 达 27 维的轨道角动量态矢 [57] .
[22]
. 由于具有特殊的
相位螺旋结构, 轨道角动量光束在相衬成像系统也 具有新颖的应用, 如图像的边缘增强效应和浮雕效 果 [23−25] . 与轨道角动量密切相关的另一种成像技
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∗ 国家自然科学基金 (批准号: 11104233, 11474238)、 教育部新世纪优秀人才支持计划 (批准号: NCET-13-0495)、 福建省杰出青年基 金 (批准号: 2015J06002)、 福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划和厦门大学校长基金 (批准号: 2012121015) 资助的课题. † 通信作者. E-mail: chenlx@
(a) (b)
到氧化铜微粒的传递, 并驱使后者发生转动 [12] . 因 此, 光的轨道角动量不仅是数学层次上的一个新概 念, 更是一种真实的物理存在.
(c)
(d)
(e)
图1
(a) 基模高斯光束的平面波前; (b) ℓ = 1 轨道角动量光束的等相位面; (c) ℓ = 2 具有二重螺旋的等相位面;
网络出版时间：2015-07-06 14:36 网络出版地址：/kcms/detail/11.1958.O4.20150706.1436.009.html
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专题:
(d) ℓ = 3 具有三重螺旋的等相位面 [13] ; (e) 形象地说明 ℓ = 3 的三重螺旋相位具有类似意大利面的造型 Fig. 1. (a) The planar phase front of a fundamental Gaussian beam; (b) helical phase front of an ℓ = 1 OAM beam; (c) two-fold helical phase with ℓ = 2; (d) three-fold helical phase with ℓ = 3 [13] ; (e) shows that the wavefront for ℓ = 3 is shaped like fusilli pasta.
关键词: 光子轨道角动量, 量子纠缠, 旋转 Doppler 效应, 量子遥感技术 PACS: 42.50.Tx, 03.67.Mn, 43.28.Py, 07.07.Df DOI: 10.7498/aps.64.164210
么, 我们能否将单个光子的自旋和轨道角动量这两
1 引
言
种不同的微观自由度也和电磁波的某些宏观属性 有效对应呢？ 事实上, 光子角动量的研究具有悠久的历史, 至少可以追溯到 1909 年, 当时 Poynting [9] 就意识 到到光具有角动量——自旋角动量, 并率先将光的 自旋角动量与光波的偏振态联系起来. 1936 年, 美 国 Princeton 大学的 Beth 等 [10] 根据四分之一波片 可以改变光波偏振态的特性, 利用力学实验首次巧 妙地验证了左、 右圆偏振光子分别携带 ± 的自旋 角动量. 但直到 1992 年, 荷兰 Leidon 大学的 Allen 等 [11] 才在理论上确认光子也可以携带另外一种形 式的角动量——轨道角动量, 它来源于光波的螺 旋相位 . 他们发现具有相位结构 exp( i ℓϕ) 的光场, 其中 ϕ 是方位角, 如拉盖尔 -高斯光束, 平均每个光 子携带 ±ℓ 的轨道角动量, 其中 ℓ 是任意整数. 如 图 1 所示, 这类光束的等相位面在三维空间中的螺 旋度与旋向分别取决于 ℓ 的绝对值与符号. 特别